TÍTULO: SECAGEM DE RESÍDUO DE GESSO PARA APLICAÇÃO NA CONSTRUÇÃO CIVIL

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1 TÍTULO: SECAGEM DE RESÍDUO DE GESSO PARA APLICAÇÃO NA CONSTRUÇÃO CIVIL CATEGORIA: CONCLUÍDO ÁREA: CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA SUBÁREA: Engenharias INSTITUIÇÃO(ÕES): CENTRO UNIVERSITÁRIO DO INSTITUTO MAUÁ DE TECNOLOGIA - CEUN-IMT AUTOR(ES): BIANCA DA SILVA DOMINGUES ORIENTADOR(ES): LUCIANE FRANQUELIN GOMES DE SOUZA COLABORADOR(ES): HELOISA CRISTINA FERNANDES CORDON, KACIANE ANDREOLA

2 1. Resumo O gesso é um dos principais materiais utilizados na construção civil, sendo que o Brasil é o maior produtor da América do Sul e o 13 do mundo, com aproximadamente 3,4 Mt em Devido ao seu curto tempo útil para utilização após mistura com água, conhecido como tempo de pega, o gesso utilizado como revestimento na construção civil gera um grande desperdício, sendo o maior constituinte dos resíduos de construção e demolição residenciais (RCD), ficando apenas atrás dos materiais cerâmicos. Por isso, sua reciclagem tem crescido com o aumento de práticas sustentáveis de construção. Para reciclar, basta apenas calcinar o resíduo com baixo consumo energético e reidratá-lo para obter novos produtos. Dessa forma, torna-se importante o estudo de seu processo a fim de qualificar a sua reciclagem. O presente trabalho tem como objetivo estudar a secagem do resíduo do gesso de construção em secador de bandejas, a fim de avaliar a influência da temperatura e da velocidade do ar, bem como determinar e modelar as taxas de secagem. Para isso, fez-se o uso de uma matriz de dois níveis de repetição no ponto central. O resíduo de gesso foi produzido laboratorialmente seguindo a norma NBR (ABNT, 1991a) e posteriormente moído em moinho de martelos, transformando em pó. As curvas apresentaram os dois períodos de secagem, sendo que o predominante foi o período decrescente, controlada pelo fenômeno da difusão. Os modelos empíricos utilizados para a modelagem foram de Page, Page Modificado e Midilli, sendo que o Modelo de Midilli foi o que melhor se ajustou às curvas no período decrescente. A partir da análise das curvas e das taxas de secagem, pode-se concluir que tanto a temperatura quanto a velocidade do ar de secagem influenciaram no processo e que o parâmetro km do modelo de Midilli apresentou valores maiores para temperaturas mais altas. 2. Introdução O gesso é um dos principais materiais utilizados na construção civil. Segundo dados publicados pelo Departamento Nacional de Produção Mineral (DNPM) em seu Sumário Mineral (Departamento Nacional de Produção Mineral, 2015), a produção mundial de gipsita um dos minerais constituintes do gesso em 2014 foi igual a 246 milhões de toneladas (Mt). O Brasil é o maior produtor da América do Sul e o 13 do mundo, com aproximadamente 3,4 Mt em O estado de Pernambuco é responsável pela maior produção brasileira, sendo que em 2014, o estado produziu 84,3% do total de gipsita produzida no país.

3 O processo de produção do gesso, a partir da gipsita natural, corresponde às seguintes etapas: extração e preparação da matéria-prima, calcinação, pulverização, armazenamento em silo e acondicionamento (Pinheiro, 2011). Devido ao seu curto tempo útil para utilização após mistura com água, conhecido como tempo de pega, o gesso utilizado como revestimento na construção civil gera um grande desperdício (John e Cincotto, 2003), sendo o maior constituinte dos resíduos de construção e demolição residenciais (Godinho-Castro et al., 2012). Por isso, sua reciclagem tem crescido com o aumento de práticas sustentáveis de construção. A reciclagem do gesso é facilmente realizada, o que contribui ainda mais a sustentabilidade na construção civil. Basta apenas calcinar o resíduo com baixo consumo energético e reidratá-lo para obter novos produtos (John e Cincotto, 2003; Pinheiro, 2011). Apesar da vantagem, acredita-se que o gesso reciclado apresente tempo de pega ainda menor que o gesso natural, o que provavelmente aumentaria ainda mais o seu desperdício (Cordon, 2017). A secagem é um dos processos mais essenciais da reciclagem do resíduo do gesso. A água que é adicionada durante a fabricação do resíduo de gesso é retirada até atingir a umidade desejada do gesso comercial (6%). Durante esse processo, surgem gradientes de umidade e temperatura no interior do sólido, gerando tensões térmicas e hídricas, que podem causar defeitos irreversíveis no produto (Da Silva et al., 2013). Essas consequências estão relacionadas, provavelmente, ao menor tempo de pega do gesso reciclado. Sendo assim, é importante o estudo da modelagem e controle do processo de retirada de água do gesso reciclado. O estudo do processo de secagem fornece informações sobre o comportamento do fenômeno de transferência de calor e massa entre o material e o ar atmosférico aquecido, as quais são fundamentais para o projeto, operação e simulações de sistemas de secagem e secadores (Corrêa et al., 2003). 3. Objetivos Visto o grande desperdício do gesso na construção civil, o presente trabalho tem como objetivo estudar a cinética de secagem do resíduo do gesso de construção em secador de bandejas utilizando uma matriz de planejamento experimental de dois níveis com repetição no ponto central. A modelagem das curvas de secagem obtidas

4 experimentalmente, utilizando modelos empíricos (Page, Page Modificado e Midilli) nos períodos de taxas decrescentes e linear para o período de taxas constantes. 3. Metodologia A produção do resíduo de gesso foi utilizada o gesso da marca Gypway hidratado com um teor de 60% em massa de água. Para a secagem, foi utilizado um secador de bandejas. Esse secador encontra-se instalado nas dependências do Instituto Mauá de Tecnologia, em São Caetano do Sul - SP. O secador possui seção transversal retangular e dimensões iguais a 0,3 0,3 0,4 m. As dimensões externas máximas do secador são iguais a 2,95 0,73 1,40 m. A capacidade de carga de sólidos úmidos é igual a 3 kg, que pode ser distribuída em até três bandejas. A circulação do ar de secagem é feita por um soprador com motor de 200 / 220 V, 125 W e 3000 rpm. O soprador é acoplado internamente ao secador e impulsiona o ar dentro do túnel com velocidades de 0,3 até 2,1 m/s. A variação da velocidade do ar é feita por um inversor de frequência. A temperatura do ar de secagem é controlada por um potenciômetro elétrico. O secador possui nove resistências elétricas duas resistências de 1000 W e sete resistências de 500 W, localizadas logo após a entrada de ar e dispostas em conjuntos de 3 em 3. O suporte das bandejas é apoiado em uma balança analítica Mettler Toledo, modelo PB3002- S, utilizada para registrar a variação de massa das amostras durante os ensaios. Para de determinação das umidades inicial e final de cada ensaio, foi utilizado o analisador de umidade com aquecimento por lâmpada de halogênio (Shimadzu, MOC63u). Já para determinar as condições do ar de secagem, foi utilizado um psicrômetro giratório. 5. Desenvolvimento Para a produção do resíduo de gesso em escala laboratorial foram realizadas as seguintes etapas: hidratação, secagem e moagem. A etapa de hidratação do gesso comercial foi realizada de acordo com a norma NBR (ABNT, 1991a), em que o gesso foi disperso sobre a água (60% em massa) por 1 minuto, permanecendo em repouso por 2 minutos e misturando-se com o auxílio de uma espátula por um 1 minuto até a obtenção de uma pasta lisa e homogênea. As pastas foram transferidas para formas de alumínio forradas com plástico, formando camadas de 1 a 1,5 cm de espessura, as quais secaram naturalmente. As placas foram quebradas manualmente

5 para posterior moagem em moinho de martelos. O pó obtido pela moagem foi recolhido e armazenado em dessecador para evitar a absorção da umidade do ar. O resíduo de gesso hidratado com 60% em massa de água possui aproximadamente 20% de umidade em base úmida (determinada por meio do analisador de umidade Shimadzu, MOC63u). Após produzido o resíduo de gesso laboratorialmente, aproximadamente 30 g do mesmo foi disperso sobre a bandeja de 27,1 x 18 cm, ocupando cerca de 80% de sua área. A velocidade foi determinada por meio de um anemômetro após o túnel de secagem, e a temperatura do ar de entrada das bandejas foi determinada por um termômetro suspenso perpendicular em relação a direção do ar de secagem. A secagem foi conduzida até atingir a umidade de equilíbrio. A variação de massa das amostras durante os ensaios foi obtida por meio de balança semi-analítica (Mettler Toledo, PB3002-S), acoplada ao secador e conectada a um computador. As medidas de massa foram monitoradas com o auxílio do software LabX (Mettler Toledo ), em intervalos de tempo de 5 segundos. Com os valores de massa do material foi calculado o adimensional de umidade para cada intervalo de tempo (Equação 1). As curvas de secagem foram construídas com os valores do adimensional de umidade (MR) em função do tempo de secagem, em que M0 representa o teor de umidade inicial, M o teor de umidade no tempo (t) e Me é o teor de umidade de equilíbrio, expressos em base seca. M R = M M e M 0 M e (1) Os experimentos foram realizados seguindo uma matriz de planejamento fatorial de dois níveis, com três repetições no ponto central (Tabela 1). As variáveis de entrada estudadas foram: temperatura do ar (T) (120 a 140 C) e velocidade do ar (v) (0,50 a 0,90 m s-1). Codificadas Não codificadas T v T ( C) v (m/s) , ,5

6 , , , , ,7 Tabela 1 Matriz de Planejamento Experimental Fatorial Completo 2² Para o período decrescente, foram ajustados os modelos empíricos de Page, Page Modificado e Midilli Equações 2, 3 e 4. Os parâmetros foram obtidos utilizando-se a ferramenta Solver do Excel para cálculo de regressão não-linear. M Rcalc = exp( kt n ) (2) M Rcalc = exp( kt) n (3) M Rcalc = a. exp( kt n ) + bt (4) A determinação dos períodos de secagem foi realizada com o melhor valor de R² (Equação 5) obtido na modelagem do período decrescente. Para seu cálculo, foram utilizadas as Equações 6 e 7, em que M R é a média das umidades em base adimensional calculadas pela Equação 1 no período decrescente. R 2 = 1 SQ res SQ total (5) SQ res = (M R M ) 2 R n i=1 (6) n SQ total = (M R M Rcalc ) 2 i=1 (7) Para a determinação das taxas de secagem constante, derivou-se a função linear ajustada no período constante de secagem. Já para o período decrescente, as taxas foram obtidas por meio das derivadas das Equações 2, 3 e Resultados As curvas de secagem obtidas no secador de bandejas com os ensaios descritos na Tabela 1 são apresentadas na Figura 1.

7 Figura 1 Curvas Experimentais de Secagem do Gesso. As curvas de secagem obtidas nas diferentes condições de processo estão apresentadas na Figura 1. Observa-se um período de acomodação seguido dos períodos de secagem constante e decrescente. O tempo de secagem para o produto atingir a umidade de equilibrio foi influenciado pela temperatura e velocidade do ar de secagem. Para maiores temperaturas e velocidades do ar, menor foi o tempo de secagem. Para as curvas referentes ao ponto central (130 C) da matriz experimental, observou-se a boa reprodutibilidade dos dados, porém não houve superposição devido ao fato de qua as amostras foram secas em dias com umidades relativas do ar diferentes (Tabela 3). Na Tabela 2 estão apresentados os três modelos analisados por meio de regressão não linear aos dados experimentais da secagem de gesso reciclado, considerando as diferentes temperaturas e velocidade do ar de secagem. Planejamento Fatorial Page Page Modificado Midilli kp np R² kpm npm R² a b km nm R² (-1) (-1) 1,142 1,542 0,998 1,090 1,542 0,998 1, ,360 1,326 0,999 (1) (-1) 3,919 1,409 0,994 2,637 1,409 0,994 1,550 0,008 4,327 1,131 0,999 (-1) (1) 2,881 1,747 0,992 1,833 1,747 0,992 1,661 0,004 3,377 1,331 0,994 (+1) (+1) 7,986 1,579 0,994 3,729 1,579 0,994 1,661 0,000 6,930 1,150 0,997 (0) (0) 2,474 1,102 0,980 2,275 1,102 0,980 36,751 0,000 6,108 0,367 0,993 (0) (0) 2,833 1,291 0,981 2,240 1,291 0,981 6,977 0,000 4,693 0,588 0,993 (0) (0) 3,758 1,862 0,992 2,036 1,862 0,992 1,189 0,013 4,162 1,763 0,995 Tabela 2 Resultados dos Modelos Estudados

8 Pode-se notar que os três modelos utilizados (Page, Page Modificado e Midilli) para modelar o período decrescente apresentam bons ajustes. Porém, o modelo de Midilli se ajustou melhor em todos os ensaios, com coeficientes de determinação (R²) próximos a unidade. Na Figura 2 e na Tabela 3, observam-se as taxas de secagem, bem como as condições de processo de cada ensaio realizado. A secagem do resíduo de gesso apresentou períodos de acomodação, omitidos nas curvas da Figura 2, sendo que quanto menor a temperatura e velocidade do ar de secagem, maior o intervalo de tempo nesse período. No período de taxa decrescente, as taxas foram obtidas por meio da derivada do Modelo de Midilli. Figura 2 Taxas de Secagem do Gesso Reciclado Taxa Constante Taxa decrescente Planejamento Fatorial HR (%) Equação da Reta Midilli k cte R² a b km nm R² (h-1) (-1) (-1) 67% 0,96 0,996 1, ,360 1,326 0,999 (-1) (+1) 71% 2,20 0,997 1,550 0,008 4,327 1,131 0,999

9 (+1) (-1) 72% 1,69 0,992 1,661 0,004 3,377 1,331 0,994 (+1) (+1) 69% 3,67 0,992 1, ,906 1,131 0,997 (0) (0) 76% 1,77 0,997 36, ,108 0,367 0,993 (0) (0) 73% 2,14 0,995 6, ,687 0,591 0,993 (0) (0) 69% 1,89 0,991 1,189 0,013 4,162 1,763 0,995 Tabela 3 Taxa de Secagem Constante, Condições do Ar de Secagem e Parâmetros do Modelo Midilli Na Figura 2 observa-se que um período de taxa de secagem constante, demonstrando a presença de umidade superficial no gesso, em todas as condições investigadas. Após o período de taxa constante, verifica-se um período de taxa decrescente, que é predominante na secagem, prevalecendo o fenômeno de difusão, sendo o processo controlado pelas condições internas, comportamento característico de materiais cerâmicos, como o gesso. Observa-se ainda, que maiores temperaturas do ar e velocidades do ar resultaram em maiores taxas de secagem. Os maiores valores de taxas no período constante na secagem do resíduo de gesso foram obtidos para as condições de maior temperatura (140 C, com taxas de 3,67 h -1 e 2,20 h -1, respectivamente). Já os menores valores referem-se às condições de menor temperatura (120 C, com taxas de 0,96 h -1 e 1,69 h -1 ). Nas condições máximas das variáveis de processo (140 C e 0,9 m/s), o valor de taxa de secagem no período inicial foi cerca de 3,8 vezes maior em comparação com a taxa de secagem a 120 C e 0,7 m/s, demonstrando o efeito da temperatura do ar na retirada da umidade superficial. Observa-se na Tabela 3, que o parâmetro km do modelo de Midilli aumentou com a elevação da temperatura, visto que quanto maior a temperatura do ar de secagem, mais facilmente o material perde água livre, segundo Silva et al (2016). Os parâmetros a e b não possuem significado físico no processo de secagem segundo (Silva et al., 2016), porém os valores da constante a para os dois primeiros ensaios do ponto central (36,751 e 6,896) apresentaram valores bastante distintos em relação aos outros experimentos. Tal fato deve-se provavelmente à elevada umidade relativa do ar ambiente presente nesses ensaios, variável de bastante influência no período constante do processo de secagem.

10 7. Considerações Finais As curvas de secagem do resíduo de gesso de obra apresentaram períodos de secagem constante e decrescente em todas as condições de processo investigadas. Quanto maior a temperatura e a velocidade do ar, maior é a taxa de secagem. O modelo de Midilli foi o que apresentou melhor ajuste aos dados experimentais no período de secagem decrescente, com coeficientes de determinação superiores a 99%. 8. Fontes Consultadas ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT. NBR12128: Gesso para construção - Determinação das propriedades físicas da pasta, 1991b. CORRÊA, P. C.; ARAÚJO, E. F.; AFONSO JÚNIOR, P. C. Determinação dos parâmetros de secagem em camada delgada de sementes de milho doce (Zea mays L.). Revista Brasileira de Milho e Sorgo, Sete Lagoas, v. 2, n. 2, p , CORDON, HCF. Caracterização estrutural e avaliação do processo de reciclagem de diferentes formas de gesso f. Tese. (Doutorado em Nanociências e Materiais Avançados) - Universidade Federal do ABC), Santo André, DA SILVA, L. D. et al. Descrição da secagem de placas cerâmicas por meio de um modelo de difusão. Cerâmica, Campina Grande, p , jan Disponível em: < DEPARTAMENTO NACIONAL DE PRODUÇÃO MINERAL. Sumário Mineral 2015, Disponível em: < 2015> GODINHO-CASTRO, AP, TESTOLIN, RC, JANKE, L., CORRÊA, AX, RADETSKI, CM. Incorporation of gypsum waste in ceramic block production: Proposal for a minimal battery of tests to evaluate technical and environmental viability of this recycling process. Waste Manag, v. 32, n. 1, p , JOHN, V. M.; CINCOTTO, M. A. Alternativas de gestão dos resíduos de gesso. Reformulação da resolução CONAMA Disponível em: <file:///c:/users/hppc/downloads/159_alternativas para gestao dos residuos de gesso.pdf>.

11 PINHEIRO, S. M. M. Gesso reciclado: Avaliação de propriedades para uso em componentes. [S.l.] Universidade Estadual de Campinas, 2011 SILVA, R. B. et al. Estudo da cinética de secagem de polpa de carambola. R. bras. Tecnol. Agroindustr, Ponta Grossa, v. 10, n. 2, p , dez Disponível em: <